2型糖尿病患者腦血流和功能連接變化及與記憶功能的關(guān)系

張 揚，馬光陽，王紫蕊，杜米楠，李 瀅，張 權(quán)*

(1.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，天津 300052；2.天津醫(yī)科大學(xué)代謝病醫(yī)院放射科，天津 300134)

2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)是認知障礙和癡呆的危險因素[1]，患者長期高血糖狀態(tài)可引發(fā)病理性腦血管改變，導(dǎo)致大腦慢性隱匿性缺血[2]。既往研究[3]發(fā)現(xiàn)，T2DM患者腦血流(cerebral blood flow, CBF)異?？赡芗铀俅竽X老化，導(dǎo)致記憶功能障礙；但目前針對T2DM患者CBF變化的研究尚少，CBF對腦老化的影響及其機制尚未明確。本研究采用動脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling, ASL)技術(shù)縱向觀察T2DM患者5年CBF變化，評估CBF改變腦區(qū)功能連接(functional connectivity, FC)變化，探討T2DM患者CBF和FC變化與記憶功能的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2013年5月—2014年12月27例T2DM患者(T2DM組)，男16例，女11例，年齡40～67歲、平均(55.0±7.6)歲，病程1～22年、中位病程7年。同期選取性別、年齡匹配的健康志愿者36名為對照組，男19名，女17名，年齡40～70歲、平均(52.3±6.9)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①入組時(基線)資料及5年后隨訪資料完整，且所用MRI、實驗室檢查及認知測評方法一致；②隨訪期間未發(fā)生腦血管意外或影響認知功能的精神或神經(jīng)疾??；③根據(jù)美國糖尿病學(xué)會2010年標(biāo)準(zhǔn)診斷T2DM，無T2DM相關(guān)并發(fā)癥。排除有癡呆家族史或MR檢查禁忌證者。

1.2 記憶功能檢測 入組及5年后隨訪時均行簡易智能精神狀態(tài)檢查量表(mini-mental state examination, MMSE)、聽覺言語學(xué)習(xí)測驗(auditory verbal learning test, AVLT)(包括短時和長時記憶)和數(shù)字廣度測試(digital span test, DST)(包括數(shù)字順背和數(shù)字倒背)。

1.3 儀器與方法 采用GE Discovery 750 3.0T MR掃描儀，8通道頭部線圈。掃描序列及參數(shù)：以三維快速自旋回波和背景抑制的假連續(xù)式ASL(pseudo continuous ASL， PCASL)獲取CBF圖，TR 4 886 ms， TE 10.5 ms，F(xiàn)A 90°，PLD 2 025 ms，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，重建矩陣128×128，40個軸向?qū)用?層厚4 mm，無間隔)，激勵次數(shù)3；以梯度回波單次激發(fā)平面回波成像(single shot gradient-recalled echo-echo planar imaging， SS-GRE-EPI)序列采集靜息態(tài)fMRI，TR 2 000 ms，TE 45 ms，F(xiàn)A 90°，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，矩陣64×64，32個軸向?qū)用?層厚4 mm，層間隔0.5 mm)，共180個時間點；以BRAVO序列采集矢狀位3D-T1WI，TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，TI 450 ms， FA 12°，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層數(shù)188(層厚1 mm，無間隔)。

1.4 圖像分析 采用SPM12軟件對CBF圖進行預(yù)處理。將原始ASL圖像非線性配準(zhǔn)、以標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)將CBF圖像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間(Montreal Neurological Institute， MNI)，去除頭皮，使用半高全寬8 mm高斯核對圖像進行平滑。

采用DPARSF軟件對靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)進行預(yù)處理：①去除前10個時間點的數(shù)據(jù)；②行時間矯正；③行頭動校正；④以DARTEL方法將功能像配準(zhǔn)到MNI空間；⑤去線性漂移；⑥回歸協(xié)變量；⑦行0.01～0.08 Hz帶通濾波；⑧行8 mm高斯核空間平滑。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件。對符合正態(tài)分布的連續(xù)變量行雙樣本t檢驗，對二分變量數(shù)據(jù)行χ2檢驗。以SPM12軟件對2組CBF圖進行基于體素的重復(fù)測量方差分析，得到組別(T2DM組和對照組)×?xí)r間(5年)交互效應(yīng)顯著的區(qū)域(FDR校正，P<0.05)作為ROI，測量其內(nèi)平均CBF，并行事后檢驗。將上述CBF交互效應(yīng)顯著的枕葉視覺皮層劃分為7個亞區(qū)，即左側(cè)V1背側(cè)區(qū)(LV1d)、右側(cè)V1背側(cè)區(qū)(RV1d)、左側(cè)V2背側(cè)區(qū)(LV2d)、右側(cè)V2背側(cè)區(qū)(RV2d)、左側(cè)V3區(qū)(LV3)、右側(cè)V3區(qū)(RV3)和右側(cè)Vp區(qū)(RVp)，并分別以各亞區(qū)為種子點獲得全腦FC圖，并進行Z變換。對FC行基于體素的重復(fù)測量方差分析，得到組別×?xí)r間交互效應(yīng)顯著的腦區(qū)(FDR校正，P<0.05)。采用偏相關(guān)分析觀察CBF、FC與記憶行為學(xué)及血糖指標(biāo)之間的相關(guān)性。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

T2DM組與對照組基線及隨訪MMSE、短時記憶、長時記憶、數(shù)字順背及數(shù)字倒背結(jié)果差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)，見表1。

表1 2組間基線及5年后隨訪認知功能比較(分，±s)

表1 2組間基線及5年后隨訪認知功能比較(分，±s)

組別MMSE基線隨訪短時記憶基線隨訪長時記憶基線隨訪數(shù)字順背基線隨訪數(shù)字倒背基線隨訪T2DM組(n=27)29.22±1.0128.44±1.4247.33±8.06 44.37±9.0310.22±3.369.26±2.258.37±1.218.04±1.295.48±1.22 5.04±1.37對照組(n=36)29.50±0.9427.97±1.2648.36±12.8246.19±9.9910.94±3.2810.26±3.027.97±1.738.11±1.012.134±1.225.44±1.38t值-1.1221.363-0.366-0.747-0.849-1.4911.020-0.2561.101-1.162P值0.2660.1780.7160.4580.3990.1410.3120.7980.2750.250

基于體素的CBF重復(fù)測量方差分析結(jié)果顯示，雙側(cè)枕葉皮層區(qū)存在顯著的組別×?xí)r間交互效應(yīng)(FDR校正，P<0.05；體素數(shù)4 320；峰值點MNI坐標(biāo)：2,-96,-6)，見圖1A。事后分析顯示，T2DM組與對照組基線枕葉皮層CBF差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；5年后隨訪，T2DM組枕葉皮層CBF顯著低于對照組(P<0.05)，見表2、圖1B。為排除腦灰質(zhì)體積對結(jié)果的影響，進一步提取該處枕葉皮層灰質(zhì)體積行重復(fù)測量方差分析，結(jié)果顯示該區(qū)域灰質(zhì)體積的組別×?xí)r間交互效應(yīng)不顯著(F=0.098，P=0.754，圖1C)。

圖1 CBF圖及重復(fù)測量方差分析結(jié)果 A.CBF圖示枕葉皮層存在顯著組別×?xí)r間交互效應(yīng)(FDR校正，P<0.05)； B.CBF存在顯著交互效應(yīng)； C.枕葉皮層CBF交互效應(yīng)顯著區(qū)域的灰質(zhì)體積未見明顯交互效應(yīng)

表2 2組間CBF及FC交互分析事后檢驗結(jié)果(±s)

表2 2組間CBF及FC交互分析事后檢驗結(jié)果(±s)

組別枕葉皮層CBF[ml/(min·100g)]基線隨訪左側(cè)顳葉FC基線隨訪右側(cè)顳葉FC基線隨訪T2DM組(n=27)58.99±12.1053.96±11.62?0.27±0.170.19±0.14?0.29±0.160.19±0.14?對照組(n=36)60.74±11.2561.51±12.340.19±0.170.21±0.170.19±0.150.21±0.16t值0.5982.4881.779-0.5512.525-0.445P值0.5520.0160.0800.5840.0140.658

注：*：與同組基線水平比較，P<0.05

上述交互效應(yīng)顯著的枕葉視覺皮層7個亞區(qū)中，LV1d與雙側(cè)顳葉FC存在顯著組別×?xí)r間交互效應(yīng)(FDR校正，左側(cè)P=0.002，體素數(shù)4 320，峰值點MNI坐標(biāo)：-57,-9,-9；右側(cè)P=0.004，體素數(shù)627，峰值點MNI坐標(biāo)：60,-21,-6)，見圖2A、2B。以FC顯著交互區(qū)峰值點坐標(biāo)為中心，以5 mm半徑勾畫小球，建立ROI，提取其平均FC，雙樣本t檢驗行事后分析顯示，T2DM組右側(cè)顳葉基線FC高于對照組(P<0.05)，5年后隨訪時組間雙側(cè)顳葉FC差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)。5年后隨訪時T2DM組雙側(cè)顳葉FC較基線水平均下降(P均<0.05)，而對照組未見明顯縱向改變。見表2及圖2C、2D。

圖2 LV1d種子點全腦FN圖及重復(fù)測量方差分析結(jié)果 A.LV1d種子點； B.種子點與雙側(cè)顳葉間FC存在顯著組別×?xí)r間交互效應(yīng)(FDR校正，P<0.05)； C、D.左側(cè)顳葉(C)及右側(cè)顳葉(D)FC存在顯著交互效應(yīng)

相關(guān)性分析結(jié)果顯示，T2DM患者LV1d與右側(cè)顳葉間基線FC值與短時記憶表現(xiàn)呈正相關(guān)(r=0.446，P=0.033)；LV1d與左側(cè)顳葉間基線FC與短時記憶表現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(r=0.401，P=0.058)。5年后隨訪時T2DM組枕葉皮層CBF與數(shù)字順背評分呈正相關(guān)(r=0.493，P=0.012)；LV1d與右側(cè)顳葉間FC與長時記憶表現(xiàn)出正相關(guān)趨勢(r=0.392，P=0.058)。見圖3。

圖3 T2DM患者CBF、FN與認知功能的相關(guān)性散點圖 A.隨訪時枕葉皮層CBF與數(shù)字順背評分； B.隨訪時LV1d與右側(cè)顳葉間FC與長時記憶評分； C.基線LV1d與左側(cè)顳葉間FC與短時記憶評分； D.基線LV1d與右側(cè)顳葉間FC與短時記憶評分

3 討論

本研究對T2DM患者進行5年縱向隨訪，發(fā)現(xiàn)T2DM組與對照組間基線及隨訪MMSE、短時記憶、長時記憶、數(shù)字順背及數(shù)字倒背差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，提示T2DM患者尚未出現(xiàn)明顯記憶減退；T2DM組視覺皮層CBF 5年內(nèi)下降程度明顯高于對照組，存在顯著差異的枕葉皮層區(qū)域主要分布于雙側(cè)V1d區(qū)、V2d區(qū)、V3區(qū)和右側(cè)Vp區(qū)，其中LV1d區(qū)與雙側(cè)顳葉FC存在顯著組別×?xí)r間交互效應(yīng)。視覺系統(tǒng)是能量消耗最高的系統(tǒng)之一[4]，由腦血流為其供氧。腦血流不足、能量代謝異常均可導(dǎo)致枕葉皮層功能障礙。視覺損害是糖尿病常見并發(fā)癥之一，T2DM患者視覺皮層代謝異常[5]、灰質(zhì)體積減小[6]且CBF下降[7]。視覺皮層接受信息后由V1、V2、Vp傳至V4，再到顳葉區(qū)域，此為腹側(cè)枕額通道，與記憶功能密切相關(guān)[8]。本研究發(fā)現(xiàn)5年后組間枕葉皮層區(qū)灰質(zhì)體積尚未見顯著差異，但T2DM患者枕葉皮層CBF較5年前顯著下降，且與數(shù)字順背評分呈正相關(guān)，提示T2DM患者視覺皮層血流供應(yīng)相對不足可能先于體積變化，并可導(dǎo)致記憶功能受損。

本研究發(fā)現(xiàn)初級視覺皮層V1d區(qū)與雙顳葉FC存在顯著交互效應(yīng)。V1區(qū)為重要信息處理區(qū)，是多數(shù)高級神經(jīng)精神活動的基礎(chǔ)腦區(qū)[9-10]；且視覺刺激可對聽覺產(chǎn)生增敏效果，顳葉聽覺皮層獲取的信息可由投射到初級視覺皮層V1區(qū)的聽覺皮層神經(jīng)元編碼，即視聽皮層間存在聯(lián)系并相互作用[11]。島葉也參與處理和整合視覺、聽覺信息[12]，故LV1d區(qū)與顳葉間FC可能反映感覺信息的交叉整合處理能力。視覺及聽覺障礙是T2DM常見外周神經(jīng)病變[13]，研究[14]發(fā)現(xiàn)T2DM患者視聽反應(yīng)時間增加。本研究中T2DM組LV1d與右側(cè)顳葉間基線FC顯著高于對照組，且與短時記憶表現(xiàn)呈正相關(guān)；而5年后該區(qū)FC顯著下降，與記憶表現(xiàn)的相關(guān)性消失，提示基線階段T2DM患者視聽皮層CBF尚未出現(xiàn)下降，且視聽皮層間FC代償性增強，而5年后隨訪階段視覺皮層CBF顯著下降，視聽皮層間FC的代償隨之減弱，且以右側(cè)為著。由于本研究T2DM組患者平均年齡為55歲，5年隨訪期可能不至于出現(xiàn)視聽皮層間FC完全失代償，故其記憶功能尚未顯著下降。

本研究的主要局限性：受樣本量限制，未考慮糖尿病藥物治療對結(jié)果的影響；隨訪5年，時間偏短，不足以充分體現(xiàn)T2DM患者記憶功能改變，需繼續(xù)隨訪觀察。

綜上，T2DM病變早期存在視聽皮層間FC代償性增強，之后伴隨血流供應(yīng)減少，枕葉、顳葉視聽皮層間FC代償逐漸下降，可能是T2DM患者記憶功能下降的神經(jīng)機制之一。